现场施工技术人员应必知建筑力学基本常识

熊文祥

【摘要】建筑工程的安全和稳定是依据建筑力学原理，每一建筑工程从构思→设计→实施→使用都离不开建筑力学，建筑工程选型、选材、施工方法均需利用建筑力学原理，而建筑物的各构件和材料均需考虑有足够的抗拉、抗压、抗弯、抗剪、抗扭等各种强度性能指标，所以不仅需要建筑力学熟练的建筑结构设计，同样也需要建筑力学熟练的现场施工技术人员指导建筑工人操作，从而确保施工过程顺利、建造出安全可靠的建筑物。

【关键词】结构安全；受拉区；受压区；有效高度；弯矩；剪力

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.085

随着我国建筑业蓬勃发展，建筑科技化日益增强，人们工作生活的科技化依赖越来越多，现建筑力学计算以诸多结构设计软件为代替（如PKPM等其它结构设计软件），从此，也有少数建筑现场施工技术人员忽视建筑力学知识学习，认为建筑力学是设计者的技能。比如：本人一次施工现场检查隐蔽工程，有一现场施工员问我：“你为什么每次检查都得强调顶起并固定支座处的上层钢筋，这上层钢筋又不受力”，也见过有些小型工程或农房建筑出现悬臂板坍塌或梁、板仅支座处构件上方出现裂缝等，其实，这些都是施工中忽视了受拉区钢筋位置，导致构件有效高度不足从而产生的缺陷；再比如，有些建筑物坍塌，不是设计缺陷，而是施工中不知建筑力学原理而导致。为此，本人认为，现场施工技术人员同样需加强建筑结构力学学习，应该知道建筑物各构件受力原理。下面简述一些建筑力学与建筑构件受力的最基本常识。

1、建筑力学简介

众所周知，建筑力学分结构力学和材料力学两大类，结构力学又分为静力学和动力学（动力学一般用于桥梁和承受振动力的厂房构件等承受振动的其它建筑物），静力学又分为静定结构和超静定结构；静定结构有三个约束组成就能使物体处于平衡状态，如：简支梁板、铰接点安装的构件、砌体柱墙等；而超静定结构则需由三个以上约束组成才能使构件处于平衡，如：框架结构、连续梁板、固定节点安装的构件等。材料力学即为材料本身承受能力的物理性能，如：砌体标号和混凝土标号，则分别为砌体、混凝土的抗压强度；建筑物多数选用钢筋混凝土作为承载构件，就是利用混凝土抗压强度高，抗拉强度低，钢筋抗拉抗压强度均高，但钢筋的抗压截面小，成本高，所以受压区利用混凝土抗压，受拉区利用钢筋抗拉，每种材料均有各自的抗拉、抗压、抗弯、抗剪等各种强度指标；由不同材料组成的构件同样分别有构件的各自抗拉、抗压、抗弯、抗剪、抗扭强度，所以需合理配用。

2、一般构件受力形式

（1）楼板是承载人和物体的重量，以及自身重量而产生楼板弯矩和剪力，楼板分单向板和双向板及悬臂板，单向板即为两端支座承受或长宽比大于2的多边支座板，三周边以上有支座则为双向板；单向板有简支单向板和连续单向板，简支单向板只有支座间一个方向的正弯矩和剪力，连续单向板则有各跨支座间正弯矩、剪力和中支座上方的负弯矩；双向板也分单跨双向板和连续双向板，单跨双向板有纵横支座间向正弯矩和剪力，连续双向板则有各跨支座间纵横方向正弯矩、剪力和中各支座上方的负弯矩（如板外边缘为固定支座，则固定支座上方也会产生负弯矩）。

（2）独立柱只承受梁板或架体传来的垂直轴向压力，如为整体柱，柱根部是固定连接，则柱既可承受垂直轴向压力，柱根部还可承受弯矩和水平剪力；框架柱既承受梁板传来的轴力，还需上部承受梁传来的负弯矩，牵带柱下部反向弯矩，上下均有剪力发生。

（3）简支梁即为单跨并两端铰节点的梁，简支梁承受次梁和楼板传来荷载及梁上部其它荷载（如砌体墙等），以及自身重量而产生梁的正弯矩和剪力。

（4）连续梁、框架梁承受荷载基本同简支梁，受力后会发生梁跨内正弯矩和支座上方负弯矩以及梁剪力。

（5）悬臂梁板为一端固定支座，另一端为自由端，悬臂梁、板只承受负弯矩和剪力，即上部受拉下部受压，悬臂构件根部弯矩、剪力最大，集中荷载作用点至固定支座段剪力一樣大。

（6）如梁上挑出的垂直悬臂梁板，则垂直悬臂梁板的纵向梁还会产生扭矩。

（7）桁架或网架总体可承受弯矩和剪力，如桁架或网架为节点直接承受荷载，则桁架或网架的各杆件只分别承受拉、压轴力及杆件自重的弯矩剪力。

3、常见的建筑力学在施工现场的应用

（1）现场施工平面布置与周边环境关系和距离的合理安排；

（2）施工进度先后的合理安排；

（3）地基持力层的选定；

（4）混凝土浇筑施工缝的留设位置、留设形式；

（5）砌体的抗压、抗倾覆验算；

（6）基坑壁的围护设置；

（7）楼板面受其它支撑承载力的验算；

（8）施工机械的安装及吊装验算；

（9）模板支撑及拉杆的设置；

（10）脚手架支撑及拉杆的设置，挑架及上料平台的设置；

（11）在漏设方案时的现场应急布设；

（12）模板、脚手架、支撑、围护及选材等方案设计。

4、常见的施工现场与建筑力学相关出现的质量安全问题及简单分析

（1）地基的承载力不足上部荷载的承受能力，会使建筑物产生倾斜、裂缝、甚至倒塌。

（2）悬臂梁或板错放钢筋位置或上层钢筋下沉不足有效高度，导致悬臂构件上部开裂或坍塌倒挂。

（3）连续板支座上部钢筋踩沉或少放，板面平行沿梁或墙裂缝，导致楼板跨中弯曲；楼板除边跨边铰节点支座外，一般支座上均产生较大负弯矩，钢筋下沉就表示构件该部位有效高度不满足。

（4）连续梁或框架梁支座上部钢筋少放或绑扎低（绑扎低属有效高度不足），梁支座上部发生裂缝，导致梁跨中弯曲，原因同连续板；两端上下贯通斜裂缝，裂缝方向上部比下部离支座远些，这属梁抗剪不满足，钢砼梁抗剪三要素为截面、箍筋、弯起钢筋。

（5）双向板四角上部钢筋踩沉或少放，楼板角上表面容易出现与纵横轴线成三角形斜角缝，因为双向板四角的负弯矩较大，所以设计一般会在双向板四角增布加强钢筋。

（6）砼浇筑施工缝裂缝或砼构件表面龟裂缝属温差引起的裂缝，或施工缝位置设置不正的构件拉力引起裂缝，温差裂缝属材料力学内知识，是因为砼的抗拉力低于砼热胀冷缩或干湿收缩力导致，所以需合理设置伸缩缝位置和合理砼养护，尽量减少砼的拉应力。

（7）钢结构构件水平杆件坍塌属受压区钢材截面薄弱或有效高度不足，钢杆件断裂属受拉区钢材截面薄弱或接口抗拉能力不足；垂直杆件坍塌属杆件截面积偏小或杆件长细比不足产生坍塌。

（8）桁架坍塌属受压杆件截面偏小，下悬断裂属受拉杆件薄弱或杆件接口抗拉不足，或桁架间相互水平杆或斜杆连接不牢固。

（9）木梁弯曲或断裂则为木材品种或截面大小或截面方向不合理，木材品种及截面方向均对抗弯抗剪有着不同的效果。

（10）模板支撑坍塌，主要是因为浇筑砼自重和施工荷载大于支撑立杆承载力，致使立杆失稳，还有浇筑时必能会产生水平力，其支撑拉杆或剪刀杆设置不合理，也会产生支撑体系失稳。

（11）浇筑砼爆模、模板楞或拼模肋弯曲或断裂均属浇筑砼向外侧压力大于模板楞或拼模肋的承载力。

（12）脚手架坍塌一般有架体与建筑物连接不牢固，剪刀斜撑设置不合理，架体承受荷载超重而导致；挑架坍塌一般有下部挑梁承受的荷载超过挑梁承受能力或挑梁尾端抗倾覆连接件不牢固，还有与建筑物连接不牢固，剪刀斜撑设置不合理，架体荷载超重均能导致；上料平台坍塌有架体承受荷载超重，斜拉杆连接不牢固，下部抗压水平杆连接不牢固或杆件偏小所导致。

（13）现场施工吊机（塔吊、垂直运输机）倾覆、倒塌、断臂。其中塔吊倾覆有两种原因，一是塔吊的基础承载力不能满足产生不均匀沉降并与建筑物连接杆不牢固，此倾覆为塔吊架体根部；二是塔吊架体不能满足吊装物体重量力矩需要，此倾覆应是在架体垂直段的薄弱环节；断臂属于塔吊吊装物体重量对塔吊架臂作用点的力矩超出架臂的承载力或超出架臂斜拉杆承受的拉力。垂直运输机倒塌一般为基础的承载力不足和架体的缆风斜向拉力不满足或架体与建筑物连接点不牢固。

（14）基坑护壁、挡土墙的倾覆，均是坑壁土倾覆力矩大样坑壁围护抵抗力矩，坑壁土倾覆力矩需运用到土力学和结构理论力学原理，各种土及土的含水率力学指标均不一样。

5、现场施工应知建筑力学基本常识

（1）建筑力学中的轴力、拉力、压力、弯矩、剪力、扭矩各自意思和发生形式；

（2）各受弯构件的受拉区、受压区各自位置及分别面积，有效高度位置及高度；

（3）杆件架体三角形布设稳定，平行四边形布设不稳定；

（4）受弯构件截面短向面垂直受力方向的截面布设抗弯效果更佳，懂得在允许范围内，受弯构件的抗压截面中心和受拉截面中心分别对向远离本构件中性轴抗弯效果更佳；

（5）简支梁使用“T”形截面、固定节点支座的梁和柱使用“工”字截面既能满足受力要求又能节约材料减少自重的效果；

（6）桁架、网架各杆件在荷载作用下的受力形式；

（7）钢砼构件内有效高度不满足，会使构件抗弯能力减弱。

（8）构件正负弯矩、剪力、扭矩各自发生形式，最大弯矩和最大剪力及扭矩各自容易发生位置；

（9）一般集中荷载比均布荷载作用弯矩大，比如：悬臂构件集中荷载作用的弯矩M=-pl，均布荷载弯矩M=-gl2/2；简支梁集中荷载的弯矩M=pl，均布荷载作用的弯矩M=ql2/8。

（10）一般支座负弯矩会大于跨中正弯矩，所以控制负弯矩受拉件位置必须注重，比如：一根兩等跨梁分别跨中心作用一个相同集中荷载的正弯矩M=0.156pl、负弯矩M=-0.188pl；两等跨梁分别作用均衡均布荷载的正弯矩M=0.07ql2、负弯矩M=-0.125ql2；一根三等跨梁分别跨中心作用一个相同集中荷载的正弯矩 M边=0.175pl、M中=0.1pl、负弯矩M=-0.15pl，三等跨梁分别作用均衡均布荷载的正弯矩M边=0.08ql2、M中=0.025ql2、负弯矩M=-0.1ql2（以上系数式“-”表示负弯矩，p表示集中荷载、q表示均布荷载、l表示跨度长）。

（11）严格控制邻近深浅基坑施工顺序和深浅基础间距，必须执行施工规范要求先施工深基坑，待深基坑内建筑构件施工完回填土后方可施工浅基坑上建筑物，否则容易出现浅基坑的泥浆水渗入深基坑，从而降低浅基坑靠深基坑边地基土层或基坑高低坑壁破坏，导致浅基坑建筑物地基持力层降低产生建筑物倾覆坍塌。

结语：

建筑力学在建筑工程运用广泛，从结构设计至建筑施工整个过程均离不开建筑力学知识，任一环节建筑力学运用不当，则会导致人民生命安全和国家财产遭受重大损失。有了合理的结构设计，还得有合理的现场实施，因此，现场施工技术人员须心知建筑力学在建筑工程的重要性，需加强建筑力学学习，丰富建筑结构力学知识，现场需分别控制好建筑构配件的受拉区、受压区、有效高度均满足设计要求，确保构件有足够的抵抗弯矩、剪力、扭矩发生强度，注重各建筑材料的各自物理指标和适用范围，熟悉施工规范，切实全面考虑组织施工，确保建筑施工过程顺利，施工出的建筑产品安全可靠。

参考文献：

[1]王玉.浅析建筑力学在建筑工程中的应用[J].现代职业教育，2017年33期.

[2]国振喜，张树义主编.实用建筑结构静力计算手册.机械工业出版社，2009.1：319-322.